新一代CBTC系統(tǒng)方案研究與關鍵技術(shù)探索

代繼龍李曉剛李兆齡韓 臻

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

新一代CBTC系統(tǒng)方案研究與關鍵技術(shù)探索

代繼龍1，2李曉剛1，2李兆齡1，2韓 臻1，2

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；

2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的基礎上，提出基于車-車通信技術(shù)和相對速度追蹤技術(shù)的新一代CBTC系統(tǒng)概念，并研究其系統(tǒng)構(gòu)架及關鍵技術(shù)。

新一代；車-車通信；相對速度；鏈路

1 概念的提出

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)以地面設備為列車運行的控制核心，列車運行控制采用從“列車-地面-列車”的方式，即前車將自身定位信息發(fā)送給地面，地面根據(jù)前車的位置報告，并結(jié)合其他安全條件，為后車計算移動授權(quán)并將移動授權(quán)發(fā)送給后車。列車需要與地面進行“去、回”通信交互，因此增加了信息周轉(zhuǎn)時間，系統(tǒng)也需為這些延時增加相應的處理機制。

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)采用基于列車相對位置追蹤的移動閉塞原理。追蹤原理是在計算移動授權(quán)時假定前行列車位置固定，后續(xù)運行列車以前車尾部為列車運行終點，并留有適當余量，進而保證列車運行安全。由于實際運用中，前行列車的位置通常并非固定（停站、故障等情況除外），因此，基于列車相對位置追蹤的列車運行控制方式并沒有最大限度的發(fā)揮線路運能。

隨著軌道交通線路的大力發(fā)展，軌道交通線路的運營能力需求在不斷提高，信號系統(tǒng)設備的使用頻率及設備維護量也隨之增加。在保證行車安全的前提下，減少軌旁設備的數(shù)量，最大限度的縮短列車運行間隔是未來CBTC系統(tǒng)發(fā)展的方向。

目前，歐洲NGTC組織機構(gòu)已在研究下一代列車控制系統(tǒng)技術(shù)方案，國內(nèi)則處于對既有CBTC系統(tǒng)技術(shù)進行改進的研究摸索階段。因此，迫切需要在既有CBTC系統(tǒng)技術(shù)的基礎上，擴展思路、優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架、改進關鍵技術(shù)、研究新型CBTC系統(tǒng)技術(shù)，形成基于車-車通信技術(shù)和相對速度列車追蹤技術(shù)的新一代CBTC系統(tǒng)技術(shù)方案。

2 系統(tǒng)方案

新一代CBTC系統(tǒng)是從傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)演變出適合未來信號系統(tǒng)發(fā)展方向的信號系統(tǒng)方案。與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，引入“以列車為核心”和“車-車通信”兩個概念?！耙粤熊嚍楹诵摹笔侵噶熊嚨囊苿邮跈?quán)計算由列車自己完成，不再經(jīng)由傳統(tǒng)的軌旁ZC計算后轉(zhuǎn)發(fā)至列車。“車-車通信”改變了傳統(tǒng)地面計算列車移動授權(quán)的方式，前車可根據(jù)后車請求，實時向后車發(fā)送本車位置及速度信息，以便后車確定移動授權(quán)。

“以列車為核心”的本質(zhì)是將傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的軌旁核心控制功能移植至列車上，進而減少軌旁設備數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架?？梢酝ㄟ^簡化軌旁設備、重新進行設備功能分配的方式實現(xiàn)，主要有以下兩種方案：

方案一：向車載移植ZC及CI功能；

方案二：向車載移植ZC功能。

2.1 向車載移植ZC及CI功能的新一代CBTC系統(tǒng)方案

在此方式下，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中ZC及CI將被取消，其功能全部移植至車載ATP，車載ATP利用車-地無線通信并通過軌旁設置的目標控制設備OC監(jiān)控基礎信號設備，如圖1所示。

圖1 新一代CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演進示意圖-移植ZC及CI功能

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化來看，移植ZC和CI功能至車載ATP設備對傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)來說是一次重大改變，列車運行控制及軌旁設備的監(jiān)控將全部由車載設備完成。系統(tǒng)車-地無線通信系統(tǒng)需要具備非常高的可靠性及可用性。地面不具有聯(lián)鎖邏輯運算功能，若車-地無線通信故障，信號系統(tǒng)將不能保障列車降級后的行車安全。結(jié)合軌道交通運營組織方式及目前車-地無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性來看，移植CI暫不適用于國內(nèi)軌道交通信號系統(tǒng)。

2.2 向車載移植ZC功能的新一代CBTC系統(tǒng)方案

在此方式下，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中用于列車移動授權(quán)計算的設備ZC將被取消，其功能將分解到車載ATP和軌旁控制系統(tǒng)LCS中，如圖2所示。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化來看，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)下ZC設備的大部分功能將被分解到車載ATP。地面設置LCS主機，LCS主機分為CI和TMU（列車管理單元）兩個模塊，CI模塊完成傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)計算機聯(lián)鎖相關功能，TMU模塊用于完成傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中ZC設備的部分功能（如列車位置管理、軌道區(qū)段管理、臨時限速管理等），同時，為減小信息傳輸周轉(zhuǎn)時間，增加列車與列車相互通信，TMU模塊還需具備車-車通信鏈路管理功能。

圖2 新一代CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演進示意圖-移植ZC功能

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，新一代CBTC系統(tǒng)最大的區(qū)別是增加列車與列車間的通信、由列車車載設備計算自己的移動授權(quán)。傳統(tǒng)CBTC與新一代CBTC列車移動授權(quán)計算路由對比如圖3、4所示（以列車2移動授權(quán)確定為例）：

圖3 傳統(tǒng)CBTC列車移動授權(quán)計算路由示意圖

圖4 新一代CBTC列車移動授權(quán)計算路由示意圖

由此可見，新一代CBTC系統(tǒng)計算移動授權(quán)的核心設備為每列車的車載設備——車載ATP。車載ATP接受地面LCS發(fā)送的進路狀態(tài)信息及軌旁設備狀態(tài)信息作為移動授權(quán)計算的一個外部輸入條件；通過與列車1的相互通信，列車2得到列車1的位置、速度及運行方向信息，作為移動授權(quán)計算的另一個外部輸入條件。列車2車載ATP設備結(jié)合地面LCS-CI發(fā)送的進路信息和列車1發(fā)送的速度及位置信息為本車計算移動授權(quán)。而在車-車通信中斷后，列車2還可通過地面LCS-TMU發(fā)送的前車位置信息進行移動授權(quán)計算。

以列車為核心計算移動授權(quán)及車-車直接通信的列車控制技術(shù)的引入，減少列控信息在多個系統(tǒng)間的傳輸環(huán)節(jié)，有效減少通信傳輸時延，提高系統(tǒng)控制精度，縮短列車追蹤間隔，提高線路運營效率，且精簡了地面設備，降低系統(tǒng)維護成本。

3 關鍵技術(shù)

新一代CBTC系統(tǒng)作為傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的一次技術(shù)革新，其采用的部分技術(shù)已突破CBTC原有的技術(shù)原理。這些關鍵技術(shù)也將成為列車運行控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的方向。

新一代CBTC系統(tǒng)和傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比增加了以下關鍵技術(shù)：

1）車-車通信技術(shù)；

2）相對速度的追蹤技術(shù)；

3）列車鏈路管理技術(shù)。

3.1 車-車通信技術(shù)

新一代CBTC系統(tǒng)與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)移動授權(quán)計算相比，更加簡捷，最重要的是兩個列車作為移動終端，實現(xiàn)端到端直接通信。目前隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，端到端直接通信已經(jīng)可以實現(xiàn)。例如Device-to-Device（D2D）通信是一種在系統(tǒng)的控制下，允許終端之間通過復用小區(qū)資源直接進行通信的新型技術(shù)。D信息交互可不經(jīng)過網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)而直接傳輸。D2D通信技術(shù)與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡架構(gòu)有明顯區(qū)別，如圖5所示。

在D2D通信模式下，通信數(shù)據(jù)直接在兩列車之間傳輸，避免了數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)傳輸而產(chǎn)生的信息延時；其次，傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡對通信基礎設施的要求較高，核心網(wǎng)設施或接入網(wǎng)設備的損壞都可能導致通信系統(tǒng)的癱瘓。D2D通信的引入使得列車終端在無線通信基礎設施損壞或者在無線網(wǎng)絡的覆蓋盲區(qū)時仍可實現(xiàn)端到端通信。

圖5 D2D端到端通信結(jié)構(gòu)示意圖

縱然D2D技術(shù)的發(fā)展仍處于起步階段，尚未得到廣泛應用，其技術(shù)還需進一步研究及完善。然而技術(shù)先進性及可行性勢必促使其成為未來無線通信技術(shù)的發(fā)展方向。

3.2 相對速度的追蹤技術(shù)

移動閉塞是一種沒有預先設定的閉塞分區(qū)、可以實現(xiàn)列車按最小安全間隔運行的閉塞方式。兩列車追蹤的最小間隔距離由列車在線路上的實際位置和運行狀態(tài)確定，因此移動閉塞列車追蹤方式有兩種：相對位置方式和相對速度方式。

1）相對位置模式

此模式下，系統(tǒng)以前車報告的列車位置尾端為危險點為后車計算移動授權(quán)。此種主要考慮其列車位置的處理方式，稱之為相對位置方式。其追蹤原理如圖6所示。

圖6 相對位置追蹤示意圖

2）相對速度方式

在此模式下，系統(tǒng)以前車報告的列車位置外加前車當前速度信息為依據(jù)，為后車計算移動授權(quán)點，稱之為相對速度方式。選取的危險點為假定前車以當前速度觸發(fā)緊急制動停車后列車尾端。其追蹤原理如圖7所示。

圖7 相對速度追蹤示意圖

綜上所述，相對位置的追蹤方式是后車假定前車當前速度為0、列車位置固定的追蹤方式，而實際運用中除停站和一些特殊場景外，列車均在移動狀態(tài)，速度并不為0，很明顯此種方式并未發(fā)揮線路的最大運能。而相對速度方式考慮了前車的實際速度，可為后車提供更長的移動授權(quán)，進而縮短了列車追蹤間距，將成為未來列車追蹤技術(shù)的發(fā)展方向。

3.3 列車鏈路管理技術(shù)

新一代CBTC系統(tǒng)基于車-車通信技術(shù)，線路上運行的列車間通信連接順序并非固定，需要根據(jù)行車策略的改變而改變列車間的通信連接順序。LCS的TMU模塊負責本區(qū)域內(nèi)所有列車之間的通信鏈路管理。TMU結(jié)合列車前方路徑信息及運行圖為區(qū)域內(nèi)所有列車計算通信連接順序，形成車-車通信鏈路發(fā)送給區(qū)域內(nèi)所有列車。每列車根據(jù)通信鏈路向目標車發(fā)起/斷開通信連接請求。同時，每列車將車-車通信連接狀態(tài)反饋給TMU。

TMU以路徑為基礎確定車-車通信鏈路，當列車進路已建立或在建立過程時，TMU確定列車可申請與徑路上的注冊列車建立通信鏈接請求；當本車進路未建立時，TMU根據(jù)前方道岔的位置并向列車運行方向延伸（按一定范圍），尋找徑路上的注冊列車，確定列車連接順序。

當已連接的兩列車運行方向相反或者后車路徑改變時，TMU確定立即斷開兩列車之前的連接。在折返換端時，TMU還需結(jié)合運行圖確定車-車通信鏈路。

4 結(jié)束語

新一代CBTC系統(tǒng)方案基于車-車通信技術(shù)及列車相對速度追蹤技術(shù)，列車移動授權(quán)計算以列車為核心，是在傳統(tǒng)CBTC基礎上逐漸演變而來的技術(shù)方案，其系統(tǒng)構(gòu)架及技術(shù)特點符合未來軌道交通信號系統(tǒng)的發(fā)展方向。

[1] Rail Transit Vehicle Interface Standards Committee of the IEEE Vehicular Technology Society. IEEE Std 1474.1-2004 IEEE Standard for Communications-Based Train Control (CBTC) Performance and Functional Requirements[S].2004.

[2]焦巖，高月紅，楊鴻文，等.D2D技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].技術(shù)與業(yè)務創(chuàng)新，2014（6）：83-87.

On the basis of traditional CBTC system, the paper puts forward a concept of the new generation of CBTC system based on train-train communication technology and relative speed tracking technology, and gives the research on the architecture and the key techniques of the new system.

new generation; train-train communication; relative speed; link

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.06.012

2016-07-08）

中國鐵路通信信號股份有限公司科技研發(fā)項目（2300-K1150040-1）